Điều khiển động trong mạng quang wdm,luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật chuyên ngành kỹ thuật điện tử

Dang mục bảng cơng thức tốn học DANG MỤC BẢNG VÀ CƠNG THỨC TỐN HỌC Bảng Trang Bảng 1.1: Phân chia kênh bước sóng 10 Bảng 1.2: Tần số bước sóng theo ITU .23 Bảng 1.3: ðánh giá mơ hình mạng vịng Ring mạng mắt lưới .34 Bảng 1.4: Bước sóng hệ thống WDM 16 kênh kênh .37 Bảng 1.5: Tần số trung tâm danh ñịnh hệ thống thông tin quang 38 Bảng 2.1: Trung bình độ dài tuyến đường mạng vịng nút 90 Cơng thức tốn học Trang Cơng thức 1.1: Suy hao xen với MUX 24 Công thức 1.2: Suy hao xen với DEMUX .24 Công thức 1.3: Suy hao xuyên kênh 24 Cơng thức 2.1: Tính xác suất ñể chọn liên kết ñịnh tuyến ngẫu nhiên 60 Cơng thức 2.2: Xác định hàm trọng lượng WRLC-FF 84 Cơng thức 2.3: Xác định xác suất khóa kết nối 86 Cơng thức 3.1: Xác định chi phí liên kết ñồ thị phụ OSA 96 Cơng thức 3.2: Tính chi phí đường dẫn sơ cấp QMSP 104 Cơng thức 3.3: Tính chi phí đoạn đường dẫn dự phịng QMSP .105 Cơng thức 3.4: Tính độ tin cậy đường dẫn sơ cấp DRPP 112 Công thức 3.5: Tính độ tin cậy đường dẫn dự phịng DRPP 112 Cơng thức 3.6: Tính độ tin cậy kết nối DRPP 112 Cơng thức 3.7: Tính độ tin cậy đoạn đường dẫn sơ cấp DRSP .113 Công thức 3.8: Tính độ tin cậy đoạn đường dẫn dự phịng DRSP 113 Cơng thức 3.9: Tính độ tin cậy tổng hợp ñoạn ñường dẫn sơ cấp dự phòng DRSP .113 Cơng thức 3.10: Tính ñộ tin cậy kết nối DRSP .113 GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu Dang mục bảng cơng thức tốn học Cơng thức 3.11: Tính chi phí liên kết đường dẫn sơ cấp DRSP 114 Cơng thức 3.12: Tính chi phí liên kết đường dẫn dự phịng DRSP 115 Cơng thức 3.13: Tính hiệu suất sử dụng tài nguyên RU 118 CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC TRONG CÁC GIẢI THUẬT Giải thuật WLCR-FF h(R): {R (1) a ðộ dài bước nhảy tuyến ñường R } , Ra( 2) , Ra( M a ) : Tập hợp tuyến đường tính trước cho cặp nút a F ( Ra(t ) ) : Số bước sóng rỗi tuyến đường Ra(t ) Wa(t) : Số nút định tuyến chuyển đổi bước sóng tuyến ñường Ra(t ) S a(t , k ) : ðoạn ñường dẫn thứ k ( ) f S a(t ,k ) : Số bước sóng tự đoạn đường dẫn S a(t , k ) W(R): Hàm trọng lượng A a: ðề nghị lưu lượng cặp nút a Aa : Thực tế lưu cặp nút a Giải thuật QMSP: cj: Chi phí liên kết j c∗j : Chi phí động liên kết j pwj: Số bước sóng sơ cấp liên kết j fwj: Số bước sóng tự liên kết j rwj: Số bước sóng dự phịng dự trữ liên kết j crn: Yêu cầu kết nối n pn : ðường dẫn sơ cấp yêu cầu kết nối crn bn : ðường dẫn dự phòng cho yêu cầu kết nối crn sp qp : ðoạn ñường dẫn thứ q p GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu Dang mục bảng cơng thức tốn học sbpq : ðoạn đường dẫn dự phịng cho sp qp v ej : Tập hợp kết nối mà ñường dẫn sơ cấp ñi qua liên kết e ñường dẫn dự phịng/đoạn đường dẫn dự phịng ngang qua liên kết j Giải thuật DRSP j: Liên kết sợi quang bên G costj: Chi phí động liên kết j crn: Yêu cầu kết nối n pn : ðường dẫn sơ cấp cho crn bn : ðường dẫn dự trữ cho pn spn: Các segment path ñược yêu cầu bảo vệ pn bsn: ðường dẫn dự trữ cho spn pwj, fwj, swj: Số bước sóng sơ cấp, tự dự trữ liên kết j rj : ðộ tin cậy liên kết j r(q) : ðộ tin cậy ñường dẫn q r(q1, q2) : ðộ tin cậy tổng hợp ñường dẫn q1 q2 r(crn) : ðộ tin cậy kết nối n r(u): ðộ tin cậy ñược yêu cầu người dùng GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ Trang Hình 1.1: Hệ thống WDM băng rộng .11 Hình 1.2: Quá trình phát triển hệ thống WDM 13 Hình 1.3: Truyền dẫn suy hao thấp vùng bước sóng 1,3 µm 1,55 µm 14 Hình 1.4: Nguyên lý hoạt ñộng OTDM .15 Hình 1.5: Nguyên lý hoạt ñộng OFDM .16 Hình 1.6: Ngun lý hoạt động WDM 18 Hình 1.7: Hệ thống WDM điểm - điểm ghép bốn bước sóng 19 Hình 1.8: Hệ thống WDM vịng kín ghép bốn bước sóng 20 Hình 1.9: Hệ thống truyền tải WDM ñơn hướng 20 Hình 1.10: Hệ thống truyền tải WDM song hướng 21 Hình 1.11: Thiết bị tách/ghép hỗn hợp 21 Hình 1.12: Chức WDM MUX DEMUX .22 Hình 1.13: Xuyên kênh tách/ghép kênh tách/ghép kênh hỗn hợp .24 Hình 1.14: Phân loại thiết bị ghép bước sóng quang 25 Hình 1.15: Nguyên lý hoạt ñộng thiết bị WDM vi quang .26 Hình 1.16: ðặc tính phổ lọc giao thoa cắt băng thông .27 Hình 1.17: Cấu trúc tách nhiều kênh sử dụng lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi .28 Hình 1.18: Phương pháp chế tạo ghép WDM cho sợi quang ñơn mode 29 Hình 1.19: Cấu trúc ghép bốn kênh thực ghép hai tầng .30 Hình 1.20: Hệ thống WDM điểm điểm có xen/rẽ kênh quang 31 Hình 1.21: Cấu hình mạng vịng WDM với trạm tập trung .32 Hình 1.22: Cấu hình mạng mắt lưới Mesh .33 Hình 1.23 Xu hướng chuyển đổi sang mơ hình lớp mạng truyền tải .41 Hình 1.24 Cell ATM với phần mào ñầu tải 44 Hình 1.25 Mơ hình phân lớp IP/WDM 47 Hình 1.26 Kết cấu hệ thống IP qua WDM 48 Hình 2.1: ðịnh tuyến kênh quang mạng liên tục bước sóng 50 Hình 2.2: Mơ hình vơ hướng 51 Hình 2.3: Mơ hình hữu hướng 51 Hình 2.4: Mạng WDM liên tục chuyển ñổi bước sóng 53 GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu Danh mục hình vẽ Hình 2.5: Mạng quang WDM định tuyến theo bước sóng 55 Hình 2.6: Các cách bố trí chuyển đổi bước sóng mạng mắt lưới 57 Hình 2.7: Xác suất nghẽn với số chuyển đổi khác 58 Hình 2.8: Phân lớp mạng theo bước sóng 59 Hình 2.9: Chuyển từ tốn gán bước sóng thành tốn tơ màu đồ thị .68 Hình 2.10: Thuật tốn tơ màu đồ thị 69 Hình 2.11: Lưu ñồ giải thuật ñịnh tuyến gán bước sóng tĩnh .72 Hình 2.12: Tóm lược giải thuật định tuyến gán bước sóng động 81 Hình 2.13: Minh họa cách phân đoạn mạng có chuyển đổi bước sóng 83 Hình 2.14: 8-nút mạng vòng 25-nút mạng mắt lưới 85 Hình 2.15: Xác suất khố mạng vịng nút khơng có chuyển đổi bước sóng 86 Hình 2.16: Xác suất khố mạng vịng nút chuyển đổi bước sóng thưa thớt 87 Hình 2.17: Xác suất khố mạng vịng nút chuyển đổi bước sóng đầy đủ .87 Hình 2.18: Xác suất khố mạng mắt lưới khơng có chuyển đổi bước sóng .88 Hình 2.19: Xác suất khố mạng mắt lưới chuyển đổi bước sóng thưa thớt .88 Hình 2.20 Xác suất khố mạng mắt lưới chuyển đổi bước sóng đầy đủ 89 Hình 3.1 Minh họa phương pháp bước .95 Hình 3.2 Minh họa phương pháp bước .97 Hình 3.3: Mơ hình mạng mô theo [9] 100 Hình 3.4: Xác suất khóa giải thuật bước hai bước 101 Hình 3.5: Xác suất khóa kết nối giải thuật AO 102 Hình 3.6 Xác suất khóa kết nối giải thuật RWA khác .102 Hình 3.7: Lưu đồ giải thuật QMSP 106 Hình 3.8 Minh họa trình QMSP .107 Hình 3.9: Sơ đồ mạng mắt lưới 15 node 108 Hình 3.10a: Tỉ lệ tiêu thụ tài nguyên TSA QMSP .109 Hình 3.10b: Xác suất khóa kết nối TSA QMSP 109 Hình 3.11: Minh họa trạng thái bẫy DRPP 113 Hình 3.12: Giải thuật DRSP 116 Hình 3.13: Mạng mắt lưới 15 nút 118 Hình 3.14a: Hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng DRPP DRSP 119 Hình 3.14b: Xác suất khóa kết nối DRPP DRSP 120 Hình 3.15: Cải tiến tỷ lệ khóa kết nối DRSP so với DRPP 120 GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu Thuật ngữ từ viết tắt THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ANSI: American National Standards Institution AO: Adaptive One-step AOAT: Adaptive One-step plus Adaotive Two-step APS: Automatic Protection Switching ASON: Automatic Switched Optical Network AT: Adaptive Two-step ATAO: Adaptive Two-step plus Adaptive One-step ATB: Adaptive Two-step allowing Backtracking ATM: Asynchronous Tranfer Mode BF: Best-Fit BR: Blocking Ratio CDM: Code Division Multiplexing DCA: Distinct Channel Assignment DPR: Dedication Protection Ring DRSP: Differentiated Reliable Segment Protection DRPP: Differentiated Reliable Path Protection D-RWA: Dynamic routing and wavelength assignment DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier ETSI: European Telecommunications Standards Institute FAR-FF: Fixed Alternate Routing - First-Fit FF: First-Fit FOAT: Fixed One-step plus Adaptive Two-step LCP: Least Congested Path LF: Largest-First LLR: Least Loaded Routing LLR-FF: Least Loaded Routing - First-Fit MAN: Metropolitan Area Network GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu Thuật ngữ từ viết tắt MPLS: Multi-Protocol Label Switching NZ-DSF: Nonzero dispersion-shifted fiber OADM: Optical Add-Drop Multiplexer OAMP: Optical Amplifier OCDM: Optical Code Division Multiplexing OCL: Optical Confinement Layer Och: Optical Channel Layer OFDM: Optical Frequency Division Multiplexing OLT: Optical Line Terminal OMS: Optical Multiplex Section ONE: Optical Network Element ONU: Optical Network Unit OPP: Optimal Path Pair OXC: Optical Cross Connecting OSA: One Step Approach OTN: Optical Transport Network OTDM: Optical Time Division multiplexing OUT: Optical Transmit Unit OSA: One-Step approach OXC: Optical Cross Connect PON: Passive Optical Network PoS: Packet over SONET/SDH QMSP: Quick Method with Shared Protection QoS: Quality of Service RF: Random-Fit RWA: Routing and Wavelength Assignment RU: Resource Utilization SDH: Synchronous Digital Hierarchy SONET: Synchronous Otical Network SOA: Semiconductor Optical Amplifier SMF: Single Mode Fiber GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu Thuật ngữ từ viết tắt SPP: Shortest Path Pair SPR: Shortest Path Routing SPR-FF: Shortest Path Routing - First-Fit S-RWA: Static Routing and Wavelength Assignment SL: Smallest Last TASA: Trap Avoidance based on Suurballe’s Algorithm TCP: Transmission Control Prootcol TDM : Time Division Multiiplexing TSA: Two Step Approach UDP: Universal Datagram Prootcol WADM: Wavelength Add/Drop Multiplexed WCC: Wavelenght Continuity Constraint WCR: Wavelength Convertible Router WDM: Wavelength Division Multiplexing WLCR-FF: Weighted Least-Congestion Routing and First-Fit wavelength assignment WR: Wavelength Routed WR-OXC: Wavelength Routing OXC WRN: Wavelength Routing Network WSXC: Wavelength-Selective Cross-Connect WT-OXC: Wavelength Translating OXC WXC: Wavelength Crossconnect GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu Mục lục MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WDM .1 1.1 CÔNG NGHỆ THÔNG TIN QUANG 1.1.1 Mạng truyền tải 1.1.2 Mạng truyền tải quang 1.1.3 Tính cấp thiết mạng truyền tải toàn quang 1.1.4 Sự đời cơng nghệ WDM .7 1.2 CÔNG NGHỆ GHÉP BƯỚC SÓNG QUANG WDM/DWDM 11 1.2.1 Lịch sử phát triển mạng WDM 11 1.2.2 Các kỹ thuật ghép kênh quang 13 1.2.3 Hệ thống truyền tải WDM 19 1.2.3.1 Hệ thống truyền tải WDM ñơn hướng 20 1.2.3.2 Hệ thống truyền tải WDM song hướng 21 1.2.3.3 Thiết bị tách/ghép WDM 21 1.2.3.4 Các tham số tách/ghép WDM 23 1.2.3.5 Các thiết bị ghép bước sóng quang WDM 25 1.2.3.6 Các mơ hình mạng WDM .30 1.3 ðÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ WDM 34 1.4 CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN HIỆN TẠI VÀ PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI MẠNG QUANG WDM 39 1.4.1 Các lớp khách hàng mạng quang WDM .39 1.4.2 Dịch vụ SONET WDM 42 1.4.3 Dịch vụ ATM WDM 43 1.4.4 Dịch vụ IP qua WDM .45 1.5 KẾT LUẬN 48 CHƯƠNG 2: ðỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM 49 GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu Mục lục 2.1 TỔNG QUAN VỀ ðỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG QUANG WDM 49 2.1.1 Sơ lược định tuyến gán bước sóng mạng WDM .49 2.1.2 ðịnh tuyến gán bước sóng mạng quang WDM 51 2.1.3 Các thông số ảnh hưởng ñến vấn ñề ñịnh tuyến .61 2.2 ðỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TĨNH 63 2.2.1 Khái niệm ñịnh tuyến gán bước sóng tĩnh .63 2.2.2 Mơ tả tốn định tuyến gán bước sóng tĩnh .65 2.2.3 Giải thuật định tuyến gán bước sóng tĩnh 65 2.2.3.1 ðịnh tuyến .66 2.2.3.2 Gán bước sóng 68 2.3 ðỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG ðỘNG 73 2.3.1 Sơ lược ñịnh tuyến gán bước sóng động 73 2.3.2 Giải thuật ñịnh tuyến gán bước sóng ñộng 75 2.3.2.1 ðịnh tuyến .76 2.3.2.2 Gán bước sóng 78 2.3.3 Giải thuật định tuyến gán bước sóng WLCR-FF 81 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ TRONG MẠNG QUANG WDM 92 3.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ BẢO VỆ TRONG MẠNG QUANG WDM.92 3.2 BẢO VỆ ðƯỜNG DẪN 93 3.2.1 Dẫn giải tốn bảo vệ đường dẫn .93 3.2.2 Phương pháp xác ñịnh cặp ñường dẫn tách rời liên kết 94 3.2.3 Các giải thuật định tuyến gán bước sóng 98 3.3 CÁC GIẢI THUẬT BẢO VỆ ðOẠN ðƯỜNG DẪN 103 3.3.1 Giải thuật tính tốn nhanh với bảo vệ chia sẻ (QMSP): .103 3.3.2 Bảo vệ ñoạn ñường dẫn ràng buộc ñộ tin cậy (DRSP) .110 3.3.3 Kết luận 121 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ðỀ TÀI 122 GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển động mạng quang WDM Trang 111 Tuy nhiên DRPP có nhược điểm dẫn tới vấn ñề bẫy tăng thêm xác suất nghẽn mạch, khơng tìm thấy giải pháp topology giải pháp tồn Sau ñây phân tích nhược điểm DRPP giải pháp để khắc phục nhược điểm DRPP, ý tưởng giải thuật DRSP  Các ñịnh nghĩa ký hiệu Cho mạng WDM có Topo mạng G(N, L,W), N tập hợp nút, L tập hợp liên kết sợi quang, W tập hợp bước sóng sẵn có liên kết sợi quang Những số |N|, |L|, |W| biểu thị số nút, số liên kết, số bước sóng tương ứng Những yêu cầu kết nối đến mạng động, có kết nối yêu cầu ñến thời ñiểm Giả thiết kết nối yêu cầu giải thông kênh bước sóng mạng có khả chuyển đổi bước sóng hồn tồn Giải thuật đường dẫn ngắn - giải thuật Dijkstra, áp dụng tính tốn tuyến ñường Các ký hiệu ñược sử dụng giải thuật mơ tả sau: j: Liên kết sợi quang bên G costj: Chi phí động liên kết j, xác ñịnh trạng thái mạng thời crn: Yêu cầu kết nối n pn: ðường dẫn sơ cấp cho crn bn: ðường dẫn dự trữ cho pn spn: Các segment path ñược yêu cầu bảo vệ pn bsn: ðường dẫn dự trữ cho spn pwj, fwj, swj: số bước sóng sơ cấp, bước sóng tự số bước sóng dự trữ liên kết j rj: ðộ tin cậy liên kết j r(q) : ðộ tin cậy ñường dẫn q r(q1, q2) : ðộ tin cậy tổng hợp ñường dẫn q1 q2 r(crn) : ðộ tin cậy kết nối n r(u): ðộ tin cậy ñược yêu cầu người dùng GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển ñộng mạng quang WDM Trang 112  Ý tưởng giải thuật Giải thuật DRSP ñược cải tiến dựa giải thuật DRPP cách ñưa thêm vào giải thuật nhằm giảm thiểu xác suất tắc nghẽn, hay nói khác tránh trường hợp bẫy giải thuật DRPP Trước tiên phân tích giải thuật DRPP để tìm nhược điểm Ý tưởng DRPP sau [15]: + ðộ tin cậy ñường dẫn sơ cấp pn ñược viết sau: r ( pn ) = ∏∀j∈ p rj (3.4) n + ðộ tin cậy ñường dẫn dự trữ bn ñược viết: r (bn ) = ∏ ∀j∈b rj (3.5) n + ðộ tin cậy tổng hợp pn bn ñược viết: r ( pn , bn ) = r ( pn ) + [1 − r ( pn )] × r (bn ) (3.6) + Với giải thuật DRPP, ñộ tin cậy kết nối r(crn) r(pn,bn) Những thủ tục DRPP: Bước 1: Tính đường dẫn sơ cấp pn với ñộ tin cậy tối ña + Nếu pn ñược tìm thấy r(pn) ≥ r(u), Thiết lập kết nối + Nếu pn tìm thấy r(pn) < r(u), nhảy đến bước + Nếu pn khơng tìm thấy, khóa yêu cầu Bước 2: Xóa liên kết khơng cịn dung lượng thừa liên kết pn + Trong đồ thị cịn lại, tính đường dẫn dự trữ có độ tin cậy tối đa + Nếu bn tìm thấy r(pn,bn) ≥ r(u) thiết lập kết nối, ngược lại, khóa yêu cầu Mặc dù giải thuật DRPP tốt PP, nhiên có nhược điểm dẫn tới vấn đề bẫy làm tăng thêm xác suất khóa kết nối Xét ví dụ sau: Cho Topo mạng Hình vẽ 3.11 Các số ghi bên cạnh liên kết ñộ tin cậy kết nối Cho yêu cầu kết nối crn từ nút nguồn ñến nút đích 5, DRPP trước tiên tìm thấy đường dẫn sơ cấp với ñộ tin cậy tối ña 1-2-3-4-5 Thế vào phương trình (3.4), thu được: GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển động mạng quang WDM Trang 113 r(pn) = 0.99 × 0.99 × 0.99 × 0.99 = 0.96 0.99 0.99 0.96 0.96 0.96 0.99 0.99 r(u) = 0.97 Hình 3.11: Minh họa trạng thái bẫy DRPP Ta thấy r(pn) = 0.96 < r(u) = 0.97 đường dẫn dự trữ cần thiết lập Tuy nhiên, DRPP khơng thể tìm thấy đường dẫn dự trữ tách rời liên kết từ nút tới nút việc xóa mối liên kết ngang qua pn ngắt rời nút nguồn nút đích Bởi vậy, u cầu kết nối bị ngăn rơi vào tình trạng bẫy ðể tránh vấn đề bẫy gây nên DRPP, xem xét tính tốn đường dẫn dự trữ cho đoạn ñường dẫn sơ cấp dựa vào phân biệt ñộ tin cậy, phương pháp gọi bảo vệ ñoạn ñường dẫn phân biệt ñộ tin cậy (DRSP) Giả thiết ñoạn ñường dẫn spn ñường dẫn sơ cấp pn cần bảo vệ đường dẫn dự phịng bsn tương ứng tồn + ðộ tin cậy ñoạn ñường dẫn spn ñược viết sau [15]: r ( spn ) = ∏∀j∈sp rj (3.7) n + ðộ tin cậy ñoạn ñường dẫn dự trữ bsn ñược viết: r (bsn ) = ∏∀j∈bs r j (3.8) n + ðộ tin cậy tổng hợp spn bsn ñược viết: r ( spn , bsn ) = r ( spn ) + [1 − r ( spn )]× r (bsn ) + ðộ tin cậy crn ñược tính: r (crn ) = (∏ GVHD: TS Trần Thiện Chính ) r × r (sp n , bs n ) ∀j∈( pn − spn ) j (3.9) (3.10) HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển ñộng mạng quang WDM Trang 114 Khi dựa vào phương trình này, DRSP trước hết gán ñường dẫn sơ cấp pn ñộ tin cậy tối ña cho crn Nếu pn ñã ñược tìm thấy r(pn) ≥ r(u), ñường dẫn dự trữ chưa cần ñến, ngược lại, DRSP lựa chọn ñoạn spn gán bsn với ñộ tin cậy tối đa cho So sánh với DRPP, DRSP ñạt hiệu suất tỷ lệ sử dụng tài nguyên cao Vì DRPP gán đường dẫn dự phịng cho ñường dẫn sơ cấp, DRSP gán ñường dẫn dự trữ cho ñoạn ñường dẫn nên ngang qua liên kết tiêu thụ tài ngun hơn, DRSP có tỷ lệ sử dụng tài nguyên cao Ta thấy DRSP có xác suất khóa thấp DRPP tài ngun tự tiết kiệm DRSP dùng u cầu kết nối sau, đồng thời DRSP tránh vấn đề bẫy giảm bớt xác suất khóa, DRPP khơng thể tránh vấn đề bẫy ðể làm sáng tỏ vấn ñề này, ta quan sát lại ví dụ Trong Hình vẽ 3.11 với DRPP kết nối địi hỏi crn bị ngăn Tuy nhiên, với DRSP, chọn ñoạn ñường dẫn 1-2-3-4 ñể bảo vệ, thu ñược ñường dẫn dự trữ tương ứng 1-4 Khi ta có: r(spn) = 0.99 × 0.99 × 0.99 = 0.970299 r(bsn) = 0.96 r(spn,bsn) = r(spn) + [(1 - r(spn)] × rbsn = 0.998 Suy r(crn) = 0.998 × 0.99 = 0.988 > ru = 0.97 Bởi vậy, crn thiết lập thành cơng  Giải thuật DRSP:
Chi phí liên kết ñể tính ñường dẫn sơ cấp: Giả thiết yêu cầu kết nối crn ñến thời ñiểm ñã cho Trước tiên để tính đường dẫn sơ cấp chi phí cực tiểu, điều chỉnh chi phí liên kết theo phương trình (3.11) ðường dẫn chi phí cực tiểu tuyến ñường với ñộ tin cậy tối ña  +∞ cos t∀j∈L =  − log rj GVHD: TS Trần Thiện Chính ( fw j = 0) khac (3.11) HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển ñộng mạng quang WDM Trang 115 Cơ sở phép gán chi phí dựa phân tích sau: Từ phương trình (3.7) ta có: r ( pn ) = ∏∀j∈p rj n Lấy logarith hai vế thu ñược: log r(pn) = log r1 + log r2 + + log rj ≥ log r(u) Vì rj (∀j∈L) r(u) có giá trị từ đến nên logrj logr(u) có giá trị âm Nhân vế (3.12) với -1 ta ñược: - log r(pn) = - log r1 - log r2 - - log rj ≤ -log r(u) Theo ta thấy, chi phí liên kết costj định nghĩa hàm độ tin cậy (costj = - logrj) chi phí tuyến đường tổng chi phí liên kết, ñường dẫn với chi phí cực tiểu ñường dẫn với ñộ tin cậy tối ña Bởi vậy, giải thuật đường dẫn ngắn Dijkstra áp dụng ñể tính ñường dẫn chi phí cực tiểu Nếu ñường dẫn sơ cấp với ñộ tin cậy tối ña ñã ñược tìm thấy ñộ tin cậy ñường dẫn sơ cấp lớn ru đường dẫn dự trữ chưa ñược cần Bởi vậy, nhiều tài nguyên dự trữ tỷ lệ sử dụng tài ngun cải thiện
Chi phí liên kết để tính đường dẫn dự trữ: Nếu độ tin cậy đường dẫn sơ cấp nhỏ r(u) cần phải tính đường dẫn dự trữ Trước tính đường dẫn dự trữ cho đoạn đường dẫn, điều chỉnh chi phí liên kết theo phương trình (3.12)  +∞ cos t∀j∈L =  − log rj if ( j ∈ pn ) ∪ ( fw j = 0) khac (3.12) Nếu pn bsn ñều ñược tìm thấy r(crn) ≥ r(u), ñộ tin cậy yêu cầu người dùng ñã ñược thỏa mãn
Thủ tục DRSP: ðầu vào: Topo mạng G = {N,L,W }, với N: số nút, L: Số liên kết, W: Số GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển ñộng mạng quang WDM Trang 116 bước sóng hỗ trợ liên kết Một yêu cầu kết nối n từ nút nguồn ñến nút đích thuộc N ðộ tin cậy u cầu r(u) ðầu : pn (pn, spn, bsn), “vô hiệu lực” (ngăn kết nối) không thỏa mãn  +∞ log r j + cos t ∀j∈L =  ( fw j = 0) khac + Tính Pn Dijkstra ∃ pn ? No Yes No r(pn)≥ ru Chọn đoạn spn khơng cịn dung lượng tự pn cho cấp ñộ nút cho ñoạn nguồn đoạn đích lớn sau xóa mối liên kết Yes if ( j ∈ pn ) ∪ ( fw j = 0)  +∞ cos t∀j∈L =  khac − log rj Tính bsn lưu spn ∃ bsn bsn≥ru No Yes + Thiết lập kết nối + Cập nhật trạng thái mạng + Trả lại pn, sbn, bsn + Thiết lập kết nối + Cập nhật trạng thái mạng + Trả lại pn Hình 3.12: Giải thuật DRSP GVHD: TS Trần Thiện Chính Yes ∃ đoạn spn khác? No + Ngăn kết nối + Cập nhập trạng thái mạng NULL HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển ñộng mạng quang WDM Trang 117 Bước 1: ðiều chỉnh chi phí liên kết theo phương trình (3.11) tính đường dẫn sơ cấp chi phí cực tiểu pn + Nếu pn tìm thấy r(pn)≥ r(u) thiết lập kết nối, cập nhật trạng thái mạng, trả lại kết pn + Ngược lại, pn tìm thấy r(pn)< r(u), ñi tới bước + Trường hợp khơng tìm thấy pn, ngăn kết nối, cập nhật trạng thái mạng, trả lại kết “vô hiệu lực” Bước 2: Chọn ñoạn ñường dẫn spn ñường dẫn sơ cấp pn khơng cịn dung lượng tự cho cấp ñộ nút ñoạn nguồn ñoạn đích lớn sau xóa mối liên kết Thực bước Bước 3: ðiều chỉnh chi phí liên kết phù hợp với phương trình (3.12) tính tốn đường dẫn dự phịng bsn chi phí cực tiểu cho spn + Nếu bsn ñược tìm thấy r(crn) ≥ r(u), thiết lập kết nối, cập nhật trạng thái mạng, trả lại kết (pn, spn, bsn); + Ngược lại, chọn ñoạn ñường dẫn + Nếu tất ñường dẫn ñoạn tiềm tàng ñã ñược lựa chọn, ngăn yêu cầu, cập nhật trạng thái mạng, trả lại kết “vô hiệu lực” + Sự phức tạp thời gian DRSP phần lớn phụ thuộc vào thời gian chạy giải thuật Dijkstra, phức tạp thời gian O(|N|2) Trong trường hợp xấu nhất, với yêu cầu kết nối, DRSP chạy giải thuật Dijkstra thời gian để tính tốn đường dẫn sơ cấp chạy giải thuật Dijkstra k thời gian để tính tốn đường dẫn dự trữ cho đoạn, với k số ñoạn ñường dẫn tiềm ñường dẫn sơ cấp Bởi vậy, thời gian cần thiết DRSP xấp xỉ O((k +1)|N|2)  Những kết phân tích mơ [15] Kết mơ thực [15] với mạng mắt lưới 15 nút (Hình vẽ 3.13) với giả thiết kết nối ñến mạng theo q trình Pốt sơng với tốc độ β, thời gian giữ kết nối 1/µ, tức là, tải mạng β/µ Erlang Giả thiết µ = 1, kết nối yêu cầu bước sóng, sợi quang hỗ trợ 16 bước sóng Các kết nghiên cứu cho thấy ñộ tin cậy liên kết phân tán GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển ñộng mạng quang WDM Trang 118 ngẫu nhiên 0.96 1, ñộ tin cậy yêu cầu người dùng phân tán ngẫu nhiên 0.95 0.99 Giả thiết nút mạng có khả chuyển đổi bước sóng hồn tồn Chúng ta so sánh hiệu suất DRSP DRPP sử dụng tài nguyên RU (Resource Utilization) xác suất khóa kết khối BR (Blocking Ratio) 10 11 12 13 14 Hình 3.13: Mạng mắt lưới 15 nút Hiệu suất sử dụng tài ngun tính theo cơng thức: RU = ∑ al / E (3.13) l ∈L Trong đó: al tồn băng thơng sử dụng liên kết l E tập hợp kết nối có mạng Rõ ràng RU có giá trị nhỏ có nghĩa cần gán tài ngun cho có nghĩa băng thơng dự phịng nhỏ dự trữ tất đường dẫn dự phịng khả chia sẻ tài nguyên dự trữ cao hơn, điều có nghĩa tỉ lệ sử dụng tài ngun cao dẫn đến khóa thấp nhiều tài ngun dự phịng sử dụng cho lộ trình Tỷ lệ khóa kết nối BR (Blocking Ratio) tỷ lệ R V , Trong R tập hợp u cầu kết nối mà bị hủy bỏ mạng V tập hợp tất yêu GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển ñộng mạng quang WDM Trang 119 cầu kết nối ñến mạng Trong trường hợp lưu lượng ñộng, BR phản ánh tỉ lệ sử dụng tài nguyên, giá trị BR nhỏ tương ñương với tỷ lệ sử dụng tài nguyên cao [14] Hình vẽ 3.14a cho thấy DRSP ñưa tỷ lệ sử dụng tài ngun cao DRPP Vì DRSP gán đường dẫn dự trữ cho đoạn đường dẫn cịn DRPP gán ñường dẫn dự trữ cho ñường dẫn sơ cấp ñầy ñủ ñường dẫn dự trữ cho đoạn đường dẫn tiêu thụ tài ngun ñường dẫn dự trữ cho ñường dẫn sơ cấp ñầy ñủ, ñó DRSP thu ñược tỷ lệ sử dụng tài nguyên cao DRPP [15] 5.4 5.19 5.2 5.1 5.07 RU 4.89 4.89 4.8 4.95 4.86 4.73 4.69 4.65 4.6 5.06 4.93 DRPP DRSP 4.6 4.5 4.4 4.33 4.2 10 15 20 25 30 35 40 45 Network load Erlang Hình 3.14a: Hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng DRPP DRSP Hình vẽ 3.14b cho thấy DRSP ñưa xác suất khóa kết nối thấp DRPP Có hai lý cho điều : + Một là, DRSP có tỷ lệ sử dụng tài nguyên cao hơn, tài nguyên tự DRSP dùng cho u cầu kết nối sau, xác suất khóa kết nối thấp + Hai là, DRSP tránh vấn ñề bẫy nhiều kết nối tốt thiết lập, xác suất khóa kết nối DRSP thấp GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển động mạng quang WDM Trang 120 50% 45% 39% 40% 37% 34% 35% 31% 30% BR 30% 27% 20% 25% 25% 25% 27% 23% DRPP DRSP 20% 18% 17% 15% 13% 10% 6% 5% 2% 0% 60 65 70 75 80 85 90 95 Network load Erlang Hình 3.14b: Xác suất khóa kết nối DRPP DRSP Hình vẽ 3.15 cho thấy cải tiến thực trung bình tỷ lệ khóa kết nối DRSP so với DRPP lên tới 5.63% 10.75 %, tương ứng 0.15 Imprvement of DRSP over DRPP 10.75% Improvement 0.12 0.09 5.63% 0.06 0.03 Resource utilization Blocking probability Hình 3.15: Cải tiến tỷ lệ khóa kết nối DRSP so với DRPP Bởi vậy, DRSP thu ñược giải pháp tốt DRPP GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển ñộng mạng quang WDM Trang 121 3.3.3 Kết luận: Nội dung Chương thảo luận vấn đề bảo vệ khơi phục mạng quang WDM Như ñã biết, kênh quang WDM, lưu lượng thông tin lớn, yêu cầu ñặt phải bảo đảm an tồn thơng tin liệu truyền mạng quang WDM, đồng thời địi hỏi phải khắc phục nhanh hiệu có cố xảy nhằm giảm thiểu tổn thất gây ðể giải vấn ñề này, luận văn ñã tập trung nghiên cứu vấn ñề bảo vệ ñường dẫn bảo vệ đoạn đường dẫn mạng WDM Trong ứng dụng phương pháp gán bước sóng thích hợp trước tiên q trình gán bước sóng, phương pháp có hiệu cao dễ thực thiện ñược nghiên cứu Chương ðối với yêu cầu xác định cặp đường dẫn khơng có liên kết tối ưu tốn bảo vệ đường dẫn, sử dụng giải thuật bước (OSA) giải thuật hai bước (TSA) ñể xác ñịnh cặp ñường dẫn tách rời liên kết tối ưu từ nút nguồn đến nút đích, giải thuật OSA chứng tỏ hiệu cao Ngoài ra, nghiên cứu luận văn ñã sử dụng kết mô ñược thực [11] [15] ñể chứng minh cho kết nghiên cứu lý thuyết, bảo vệ đoạn ñường dẫn ràng buộc ñộ tin cậy (DRSP) thu ñược kết tốt bảo vệ ñường dẫn phân biệt ñộ tin cậy (DRPP) GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển động mạng quang WDM Trang 122 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ðỀ TÀI Công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) tạo nên cách mạng lĩnh vực truyền tải mạng thông tin quang Khi sử dụng công nghệ này, dung lượng truyền tải mạng truyền tải quang tăng lên nhiều hồn tồn đáp ứng u cầu băng thơng rộng thời đại thơng tin Với việc nhiều quốc gia giới ñang tiến hành nghiên cứu phát triển công nghệ WDM, thời gian tới cơng nghệ triển khai rộng rãi toàn giới Việt Nam, số lượng bước sóng ghép sợi quang cịn tăng lên đáng kể, điều giúp cho việc ñáp ứng nhu cầu băng thông lớn trở nên dễ dàng Tuy nhiên, việc gia tăng số lượng bước sóng sợi quang ñặt nhiều vấn ñề phải quan tâm vấn ñề tán sắc, nhiễu xuyên kênh, vấn ñề quản lý tài ngun để ñạt ñược hiệu cáo Vấn ñề tận dụng tài nguyên mạng hiệu nhằm mang lại lợi nhuận nhiều ln bái tốn khó nhà quản lý mạng doanh nghiệp khai thác dịch vụ viễn thơng Nhiều giải pháp ñề xuất sử dụng Tính hiệu giải pháp phụ thuộc vào thích hợp giải pháp sử dụng với kiến trúc mạng, ñặc ñiểm lưu lượng mục tiêu nhà quản lý Trong khuôn khổ luận văn này, thực việc tìm hiểu tồn diện lịch sử phát triển, ñặc ñiểm, việc ứng dụng công nghệ WDM mạng truyền dẫn quang Luận văn tập trung vào nghiên cứu tổng quan công nghệ WDM nghiên cứu giải pháp kỹ thuật ñiều khiển tài nguyên mạng quang WDM giải pháp bảo vệ ñể tăng ñộ tin cậy cho mạng Mặc dù Luận văn dừng lại mức ñộ nghiên cứu lý thuyết sử dụng kết mơ tài liệu nghiên cứu trước ñây giải thuật ñịnh tuyến, song ñây tảng cho nghiên cứu sâu công nghệ WDM/DWDM với GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu ðiều khiển động mạng quang WDM Trang 123 việc tận dụng kênh băng thơng chưa sử dụng sợi quang để tăng số lượng bước sóng khả dụng, nâng cao dung lượng mạng truyền dẫn tương lai tìm giải pháp để quy hoạch quản lý mạng truyền dẫn quang WDM/DWDM dung lượng lớn ñược hiệu ðặc biệt ñối với vấn ñề quản lý bước sóng mạng quang WDM/DWDM ðỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA ðỀ TÀI Trên sở kết nghiên cứu lý thuyết cơng nghệ WDM định tuyến mạng quang WDM, với kết ñã ñạt ñược luận văn, tác giả xin ñề xuất số nội dung nghiên cứu phát triển sau: 1) Nghiên cứu ứng dụng phát triển mạng quang DWDM cho mạng viễn thơng Việt Nam 2) Nghiên cứu tính tốn phân bố lưu lượng mạng quang WDM sử dụng mô hình mạng mắt lưới 3) Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ DWDM mạng truy nhập quang GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] TS Lê Thanh Dũng, KS Dương ðức Tuệ, “Mạng thơng tin tồn quang”, NXB Bưu ñiện, Hà nội, 04-2001 [2] TS Trần Thiện Chính, “Hệ thống thơng tin quang”, Bài giảng ðại học Giao thông Vận tải [3] ThS Lưu Ngọc ðiệp, “Ghép kênh phân chia bước sóng WDM”, luận văn cao học 2003 [4] Hệ thống thông tin quang/ vô tuyến (Optical/ Radio communication system), Nhà xuất niên - 1996 Tiếng Anh: [5] Hui zang, Jason p jue and Biswanath Mukherjee, “a Review of Routing and Wavelength Assignment Approaches for Wavelength -Routed Optical WDM Networks”, optical networks magazine, January 2000 [6] R.Ramaswami and A Segall, “Distributed Network Control for Optical Networks,” IEEE/ACM Trans Net.,vol 5, no 6., Dec 1997 [7] H Harai, M Murata, and H Miyahara, “Performance of alternate routing methods in all-optical switching networks,” Proc of IEEE INFOCOM ’97, Apr 1997 [8] Xiaowen Chu and Bo Li, “Dynamic Routing and Wavelength Assignment in the Presence of Wavelength Conversion for All-Optical Networks”, ieee/acm transactions on networking, vol 13, no 3, june 2005 [9] Jing Zhang, Keyao Zhu, Laxman Sahasrabuddhe, S J Ben Yoo and Biswanath Mukherjee “On the study of routing and wavelength assignment approaches for survivable wavelength routed WDM mesh networks”, Optical Networks Magazine, December 2003 GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu Tài liệu tham khảo [10] H Wen, S Wang, L Li, “A routing algorithm for finding low-cost pair of no shared-risk paths,” J Electron Info Technol 2003 [11] Lei Guo, Lemin Li, JinCao, Hongfang Yu, “A new heuristic algorithm with shared segmentbackup paths for trap avoidance in survivable optical networks” /Vol 14, No 23/OPTICS EXPRESS 13 November 2006 [12] R He, H Wen, L Li, G Wang, “Shared sub-path protection algorithm in traffic grooming WDM mesh networks,” Photonic Netw Commun 8, 239-249 (2004) [13] H Yu, H Wen, S Wang “Shared-Path Protection Algorithm with Differentiated Reliability in Meshed WDM Networks,” Proc SPIE APOC’03, vol 5282, Wuhan, China, 2003 [14] Lei Guo, Hongfang Yu, and Lemin Li, “Joint routing-selection algorithm for a shared path with differentiated reliability in urvivable wavelength-division-multiplexing mesh networks” vol 12, no 11 / optics express, may 2004 [15] Lei Guo, Jin Cao, Hongfang Yu, and Lemin Li, “Enhanced Dynamic Segment Protection in WDM Optical Networks under Reliability Constraints”, ETRI Journal, Volume 28, Number 1, February 2006 [16] Xiaowen Chu, Bo Li, Zhensheng Zhang, “A Dynamic RWA Algorithm in a Wavelength-Routed All-Optical Network with Wavelength Converters”, IEEE INFOCOM 2003 [17] Jason P Jue, “Lightpath Establishment in Wavelength-Routed WDM Optical Networks” Center for Advanced Telecommunications Systems and Services University of Texas at Dallas, Richardson GVHD: TS Trần Thiện Chính HVTH: Trần Minh Hậu